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Physiology of homeostasis and repair of skin and the role of metabolic and endrocrine factors
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|---|---|---|---|---|
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The skin is a multifunctional organ and the primal frontier to the external environment.
It is the first line of defence against external aggressors and any injuries inflicted in the
vertebrate skin are rapidly repaired to re-establish immune defence and integument
homeostasis. In mammals the outcome of skin injury is repair and scaring but in other
vertebrates such as amphibians and fishes’ regeneration of the skin occurs and the disrupted
tissue is replaced by skin of the same architecture and functionality as the original. Skin
regeneration in vertebrates has been poorly explore and comparisons of the healing process in
animals that heal scar free with mammalian wounds that scar will provide novel insights on the
skin repair program and identify novel drug targets for mammalian skin disorders.
The aim of this thesis was to identify key factors involved in skin homeostasis and repair
and to generate a simple model for skin repair integrating metabolic, endocrine and immune
considerations. The model species of this study was the gilthead sea bream (Sparus aurata) and
using morphological and gene expression analysis the processes involved in wound healing in
the regenerating fish skin in response to superficial damage caused by scale removal are
described. Two gene families related to tissue repair in mammals (Angiopoietin-like family,
ANGPTLs and Osteoglycin, OGN) were studied in detailed and compared and the effect of the
diet supplement alpha-ketoglutarate (AKG), an inducer of collagen synthesis, in the
integumentary system of adult sea bream explored.
In overall the results obtained contribute to improve the current state of the art on the
morphology and physiology of adult teleost skin and its regeneration after damaged and
highlights for the importance of fish skin as a comparative model to study cutaneous repair in
vertebrates.
O integumento é composto pela pele e os seus apêndices (pêlos, glândulas e escamas) e constitui a primeira linha de defesa do organismo a agressões externas e agentes patogénicos em vertebrados. A pele é o maior órgão do corpo e o primeiro a ser formado durante o desenvolvimento embrionário. É um órgão de estrutura simples, no entanto, biologicamente complexo e essencial à sobrevivência, e para além do seu papel na imunidade inata, é também um importante órgão sensorial e neuro-endócrino. Devido à sua importância, a pele quando danificada, recupera rapidamente para restabelecer as defesas imunitárias e a homeostasia do integumento. Em mamíferos, o processo de reparação cutânea leva à formação de uma cicatriz com consequente perda de funcionalidade do tecido afetado, mas noutros vertebrados, tais como anfíbios e peixes, cuja estrutura da pele é semelhante aos mamíferos existe a capacidade de regeneração tecidular e a pele danificada é reconstruída com igual topologia e funcionalidade. Em peixes teleósteos, o processo de regeneração da pele é pouco estudado sendo, no entanto, relevante uma vez que uma melhor compreensão sobre este processo permitirá estabelecer comparações do processo de reparação da pele em indivíduos adultos que têm mecanismos de regeneração como a de mamíferos, que perdem essa capacidade ainda na vida fetal e formam cicatrizes. Isto proporcionará um melhor entendimento dos processos regenerativos em vertebrados e permitirá a descoberta de novas moléculas que podem ajudar na compreensão das desordens da pele em mamíferos. O objetivo desta tese consistiu em identificar os fatores chave envolvidos na homeostasia e reparação da pele, e estabelecer um modelo simples de reparação da pele em vertebrados integrando considerações metabólicas, endócrinas e imunitárias. O organismo experimental utilizado neste estudo foi a dourada (Sparus aurata), um peixe teleósteo marinho de elevado valor económico e comercial na Europa, para qual já existem vários estudos fisiológicos e moleculares sobre o crescimento, metabolismo e homeostasia da energia e função imune. Recorrendo a várias análises morfológicas e moleculares esta tese descreve o processo de reparação da pele em dourada após uma agressão superficial ao integumento provocada pela remoção das escamas. Uma análise de dados de microarray de pele da dourada a 3 e 7 dias após a remoção das escamas (disponíveis no grupo) permitiu caracterizar os processos biológicos sub-expressos durante a regeneração da pele (capitulo 2). Neste estudo, verificou-se que no modelo utilizado a inflamação é independente da reepitelização do tecido, e que componentes da imunidade inata e adquirida estão suprimidos nas fases iniciais de reparação e só depois da função de barreira da pele ser reestabelecida é que o integumento amadurece e adquire a sua funcionalidade original. Duas famílias de genes associadas à reparação tecidular em mamíferos e possivelmente envolvidas na regeneração da pele em teleósteos foram selecionadas com base em estudos anteriores realizados pelo grupo de investigação, e ainda pouco caracterizadas em peixes, foram estudadas em detalhe: os membros da família das proteínas tipo angiopoietinas – (ANGPTLs) (capitulo 3) e o membro da família dos small leucine-rich proteoglycan o proteoglicano osteoglicina (OGN) (capitulo 4) e a sua evolução e papel no processo de regeneração tecidular em dourada comparada com os homólogos em tetrápodes. As ANGPTLs são uma família numerosa em peixes (10-13 membros) com vários genes homólogos de mamíferos duplicados. A analise evolutiva e comparativa identificou um novo membro desta família (angptl9) em peixes e outros tetrápodes (anfíbios e aves) mas não em mamíferos e que o gene dos mamíferos ANGPTL8 está ausente em outros vertebrados. Vários genes candidatos expressos na pele de peixes foram identificados, no entanto, o angptl1b, angptl2b e angptl7 parecem ter um papel importante no processo de regeneração pois são diferencialmente expressos durante as fases iniciais do processo de regeneração em dourada em pele intacta e regenerada. A existência e expressão de alguns membros da ANGPTL na pele de peixes e mamíferos, a sua ligação com a reparação do integumento, especificamente na dourada e a sua expressão associada a processos essenciais no programa de reparação sugere que o seu papel na regeneração e homeostasia da pele de vertebrados é conservada. Analises in silico identificaram dois genes para a OGN em peixes teleósteos (ogn1 e ogn2), e estudos de expressão tecidular e em culturas de células primárias in vitro de osso e mióticos de dourada sugerem que estes poderão estar envolvidos em múltiplas funções em peixes e que após duplicação diferenciaram-se e possivelmente adquiriram funções especificas. No entanto, no modelo de regeneração em estudo ambas as cópias duplicadas possuem funções conservadas na reparação da matriz da pele de peixes, tal como em mamíferos. O efeito do suplemento alimentar ácido alfa-cetoglutarato (AKG), estimulador da síntese de colagénio em mamíferos e aves, foi estudado no integumento e na regeneração da pele em douradas adultas (capitulo 5). A presença desta molécula quando na dieta dos peixes, estimula a biomineralização das escamas, acelera o crescimento das escamas em regeneração e promove a proliferação das células da epiderme, sugerindo que têm um papel importante na homeostasia da pele dos peixes e que tal como em mamíferos parece acelerar o processo de reepitelização após uma agressão. Os resultados obtidos nesta tese, contribuíram para um aumento da informação previamente disponível sobre a morfologia e a fisiologia da pele em peixes teleósteos adultos, e sobre a sua regeneração após uma agressão. Novos genes e moléculas que partilham a mesma origem evolutiva, motivos funcionais e papel biológico conservado no processo de regeneração com a dos mamíferos foram identificadas em peixes. Este trabalho realça a importância da pele dos peixes como um importante modelo comparativo para o estudo da reparação cutânea em vertebrados.
O integumento é composto pela pele e os seus apêndices (pêlos, glândulas e escamas) e constitui a primeira linha de defesa do organismo a agressões externas e agentes patogénicos em vertebrados. A pele é o maior órgão do corpo e o primeiro a ser formado durante o desenvolvimento embrionário. É um órgão de estrutura simples, no entanto, biologicamente complexo e essencial à sobrevivência, e para além do seu papel na imunidade inata, é também um importante órgão sensorial e neuro-endócrino. Devido à sua importância, a pele quando danificada, recupera rapidamente para restabelecer as defesas imunitárias e a homeostasia do integumento. Em mamíferos, o processo de reparação cutânea leva à formação de uma cicatriz com consequente perda de funcionalidade do tecido afetado, mas noutros vertebrados, tais como anfíbios e peixes, cuja estrutura da pele é semelhante aos mamíferos existe a capacidade de regeneração tecidular e a pele danificada é reconstruída com igual topologia e funcionalidade. Em peixes teleósteos, o processo de regeneração da pele é pouco estudado sendo, no entanto, relevante uma vez que uma melhor compreensão sobre este processo permitirá estabelecer comparações do processo de reparação da pele em indivíduos adultos que têm mecanismos de regeneração como a de mamíferos, que perdem essa capacidade ainda na vida fetal e formam cicatrizes. Isto proporcionará um melhor entendimento dos processos regenerativos em vertebrados e permitirá a descoberta de novas moléculas que podem ajudar na compreensão das desordens da pele em mamíferos. O objetivo desta tese consistiu em identificar os fatores chave envolvidos na homeostasia e reparação da pele, e estabelecer um modelo simples de reparação da pele em vertebrados integrando considerações metabólicas, endócrinas e imunitárias. O organismo experimental utilizado neste estudo foi a dourada (Sparus aurata), um peixe teleósteo marinho de elevado valor económico e comercial na Europa, para qual já existem vários estudos fisiológicos e moleculares sobre o crescimento, metabolismo e homeostasia da energia e função imune. Recorrendo a várias análises morfológicas e moleculares esta tese descreve o processo de reparação da pele em dourada após uma agressão superficial ao integumento provocada pela remoção das escamas. Uma análise de dados de microarray de pele da dourada a 3 e 7 dias após a remoção das escamas (disponíveis no grupo) permitiu caracterizar os processos biológicos sub-expressos durante a regeneração da pele (capitulo 2). Neste estudo, verificou-se que no modelo utilizado a inflamação é independente da reepitelização do tecido, e que componentes da imunidade inata e adquirida estão suprimidos nas fases iniciais de reparação e só depois da função de barreira da pele ser reestabelecida é que o integumento amadurece e adquire a sua funcionalidade original. Duas famílias de genes associadas à reparação tecidular em mamíferos e possivelmente envolvidas na regeneração da pele em teleósteos foram selecionadas com base em estudos anteriores realizados pelo grupo de investigação, e ainda pouco caracterizadas em peixes, foram estudadas em detalhe: os membros da família das proteínas tipo angiopoietinas – (ANGPTLs) (capitulo 3) e o membro da família dos small leucine-rich proteoglycan o proteoglicano osteoglicina (OGN) (capitulo 4) e a sua evolução e papel no processo de regeneração tecidular em dourada comparada com os homólogos em tetrápodes. As ANGPTLs são uma família numerosa em peixes (10-13 membros) com vários genes homólogos de mamíferos duplicados. A analise evolutiva e comparativa identificou um novo membro desta família (angptl9) em peixes e outros tetrápodes (anfíbios e aves) mas não em mamíferos e que o gene dos mamíferos ANGPTL8 está ausente em outros vertebrados. Vários genes candidatos expressos na pele de peixes foram identificados, no entanto, o angptl1b, angptl2b e angptl7 parecem ter um papel importante no processo de regeneração pois são diferencialmente expressos durante as fases iniciais do processo de regeneração em dourada em pele intacta e regenerada. A existência e expressão de alguns membros da ANGPTL na pele de peixes e mamíferos, a sua ligação com a reparação do integumento, especificamente na dourada e a sua expressão associada a processos essenciais no programa de reparação sugere que o seu papel na regeneração e homeostasia da pele de vertebrados é conservada. Analises in silico identificaram dois genes para a OGN em peixes teleósteos (ogn1 e ogn2), e estudos de expressão tecidular e em culturas de células primárias in vitro de osso e mióticos de dourada sugerem que estes poderão estar envolvidos em múltiplas funções em peixes e que após duplicação diferenciaram-se e possivelmente adquiriram funções especificas. No entanto, no modelo de regeneração em estudo ambas as cópias duplicadas possuem funções conservadas na reparação da matriz da pele de peixes, tal como em mamíferos. O efeito do suplemento alimentar ácido alfa-cetoglutarato (AKG), estimulador da síntese de colagénio em mamíferos e aves, foi estudado no integumento e na regeneração da pele em douradas adultas (capitulo 5). A presença desta molécula quando na dieta dos peixes, estimula a biomineralização das escamas, acelera o crescimento das escamas em regeneração e promove a proliferação das células da epiderme, sugerindo que têm um papel importante na homeostasia da pele dos peixes e que tal como em mamíferos parece acelerar o processo de reepitelização após uma agressão. Os resultados obtidos nesta tese, contribuíram para um aumento da informação previamente disponível sobre a morfologia e a fisiologia da pele em peixes teleósteos adultos, e sobre a sua regeneração após uma agressão. Novos genes e moléculas que partilham a mesma origem evolutiva, motivos funcionais e papel biológico conservado no processo de regeneração com a dos mamíferos foram identificadas em peixes. Este trabalho realça a importância da pele dos peixes como um importante modelo comparativo para o estudo da reparação cutânea em vertebrados.
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Keywords
Skin Teleosts Wound healing Regeneration Angiopoietin-like family Small leucinerich